Java中的JNI（Java Native Interface）详解

一、JNI的基本概念
JNI是Java Native Interface的缩写，它是Java平台提供的一种机制，允许Java代码与用其他语言（如C、C++、汇编）编写的本地代码进行交互。JNI的核心价值在于：

• 复用现有的本地库，避免重复开发
• 执行性能敏感或底层操作（如硬件控制）
• 解决Java无法直接操作内存等系统资源的限制

二、JNI的工作原理与调用流程

1. Java层声明本地方法
   在Java类中使用native关键字声明方法，该方法只有签名没有实现：

   public class NativeDemo {
       // 加载动态链接库（Windows为.dll，Linux为.so）
       static {
           System.loadLibrary("nativeLib");
       }
   
       // 声明本地方法
       public native void sayHello();
       public native int add(int a, int b);
   }
   

2. 生成JNI头文件
   使用javac编译Java类，然后通过javah（JDK8）或javac -h（JDK9+）生成C/C++头文件：

   javac NativeDemo.java
   javah -jni NativeDemo  # JDK8方式
   javac -h . NativeDemo.java  # JDK9+方式
   

   生成的头文件NativeDemo.h包含函数原型：

   /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
   #include <jni.h>
   JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeDemo_sayHello(JNIEnv *, jobject);
   JNIEXPORT jint JNICALL Java_NativeDemo_add(JNIEnv *, jobject, jint, jint);
   

3. 实现本地方法
   创建C/C++文件实现头文件中的函数：

   #include "NativeDemo.h"
   #include <stdio.h>
   
   JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeDemo_sayHello(JNIEnv *env, jobject obj) {
       printf("Hello from JNI!\n");
   }
   
   JNIEXPORT jint JNICALL Java_NativeDemo_add(JNIEnv *env, jobject obj, jint a, jint b) {
       return a + b;
   }
   

三、JNI核心组件详解

1. JNIEnv接口指针

   • 作用：提供访问JVM功能的函数表，相当于本地代码的"JVM操作手柄"
   • 特性：每个线程有独立的JNIEnv，不可跨线程使用
   • 常用功能：

     // 字符串操作
     jstring jstr = (*env)->NewStringUTF(env, "Hello");
     const char *cstr = (*env)->GetStringUTFChars(env, jstr, NULL);
     
     // 异常处理
     jthrowable exc = (*env)->ExceptionOccurred(env);
     if (exc) {
         (*env)->ExceptionClear(env);
     }
     

2. 数据类型映射
   Java与本地代码间的数据类型转换：

   • 基本类型：直接映射（jint↔int，jboolean↔boolean等）
   • 引用类型：特殊包装（jstring，jobject，jarray等）
   • 类型签名：用于方法/字段识别

     // Java方法签名示例
     public String getInfo(int id, String name);
     // 对应JNI签名: "(ILjava/lang/String;)Ljava/lang/String;"
     

四、JNI开发完整示例

1. Java端代码

   public class JNIDemo {
       static { System.loadLibrary("jnidemo"); }
   
       public native String reverseString(String input);
       public native int[] processArray(int[] arr);
   
       public static void main(String[] args) {
           JNIDemo demo = new JNIDemo();
   
           // 测试字符串反转
           System.out.println(demo.reverseString("Hello JNI"));
   
           // 测试数组处理
           int[] result = demo.processArray(new int[]{1, 2, 3, 4, 5});
           System.out.println(Arrays.toString(result));
       }
   }
   

2. C++实现代码

   #include <jni.h>
   #include "JNIDemo.h"
   #include <algorithm>
   
   extern "C" {
       JNIEXPORT jstring JNICALL Java_JNIDemo_reverseString
         (JNIEnv *env, jobject obj, jstring input) {
   
           const char* str = env->GetStringUTFChars(input, NULL);
           int len = env->GetStringLength(input);
   
           char* reversed = new char[len + 1];
           for(int i = 0; i < len; i++) {
               reversed[i] = str[len - 1 - i];
           }
           reversed[len] = '\0';
   
           env->ReleaseStringUTFChars(input, str);
           return env->NewStringUTF(reversed);
       }
   
       JNIEXPORT jintArray JNICALL Java_JNIDemo_processArray
         (JNIEnv *env, jobject obj, jintArray arr) {
   
           jsize len = env->GetArrayLength(arr);
           jint* elements = env->GetIntArrayElements(arr, NULL);
   
           // 对数组元素平方处理
           for(int i = 0; i < len; i++) {
               elements[i] = elements[i] * elements[i];
           }
   
           env->ReleaseIntArrayElements(arr, elements, 0);
           return arr;
       }
   }
   

五、JNI内存管理关键点

1. 本地引用管理

   • 局部引用：函数返回后自动释放，但大量创建需手动释放
   • 全局引用：跨函数调用，必须显式删除

   // 创建全局引用
   jclass globalCls = (*env)->NewGlobalRef(env, localCls);
   // 使用后必须删除
   (*env)->DeleteGlobalRef(env, globalCls);
   

2. 资源释放原则

   • GetXXXChars必须配对ReleaseXXXChars
   • GetPrimitiveArrayCritical必须配对ReleasePrimitiveArrayCritical
   • 避免在本地代码中持有JNI引用过久

六、JNI最佳实践与陷阱规避

1. 性能优化建议

   • 减少JNI调用次数（批量处理数据）
   • 使用临界区操作大数组
   • 缓存常用的类/方法ID

2. 常见陷阱

   • 内存泄漏：未正确释放全局引用或数组元素
   • 异常处理：本地代码中需检查异常状态
   • 线程安全：JNIEnv不可跨线程使用

七、JNI的现代替代方案

• JNA（Java Native Access）：基于反射的轻量级方案，无需编写本地代码
• Java FFI（Foreign Function Interface）：JDK16+提供的标准API，类型安全且内存安全

通过以上步骤，我们完整掌握了JNI从基础概念到实际开发的全流程。JNI虽然强大但复杂度高，在实际项目中应谨慎使用，优先考虑纯Java解决方案。